空調(diào)房間空氣流場(chǎng)分布的數(shù)值模擬

翟大海，趙金輝，張力雋

(1.河南省人防建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450004;2.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 序言

隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，工作居住條件也在不斷改善。許多建筑物都進(jìn)行了高檔裝修，作為改善建筑環(huán)境重要手段的空調(diào)也廣泛應(yīng)用在體育館、電影院、商場(chǎng)、餐廳等公共建筑和辦公樓、酒店客房及住宅中［1－2］。人們?cè)谙硎芸照{(diào)所帶來(lái)的舒適感的同時(shí)，某些空調(diào)房間的空氣品質(zhì)卻在惡化，無(wú)形的對(duì)人們的健康造成危害［3－4］。所以，尋找合適的氣流組織形式以滿足舒適性和節(jié)能需求是非常重要的［5］。

本文采用 CFD 軟件 Airpak［6－7］對(duì)空調(diào)房間的空氣流動(dòng)、傳熱和污染等物理現(xiàn)象進(jìn)行研究，準(zhǔn)確地模擬了通風(fēng)系統(tǒng)的空氣流動(dòng)、空氣品質(zhì)、傳熱、污染和舒適度等問(wèn)題，并依照ISO7730標(biāo)準(zhǔn)［8］對(duì)舒適度、速度、溫度等衡量室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。減少了設(shè)計(jì)成本，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短了設(shè)計(jì)周期。

1 物理和數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型及邊界條件

本文選擇鄭州某一辦公室為模擬對(duì)象，根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》建立物理模型并確定了模型的相關(guān)熱工參數(shù)。采用CFD軟件Airpak對(duì)空調(diào)房間的四種典型送回風(fēng)方式進(jìn)行模擬，得出室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、空氣齡和人體熱舒適性等參數(shù)的模擬圖。其中四種送回風(fēng)方式分別為:同側(cè)上送下回方式、對(duì)側(cè)上送下回方式、同側(cè)下送上回方式和對(duì)側(cè)下送上回方式(如圖1～4)。

圖1 同側(cè)上送下回式

本模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為定熱流邊界，送風(fēng)口設(shè)定相應(yīng)的送風(fēng)速度、溫度和相對(duì)濕度，回風(fēng)口為自由出流邊界。具體模型參數(shù)和邊界條件如表1～3所示。

表1 模型幾何參數(shù)

圖2 對(duì)側(cè)上送下回式

圖3 同側(cè)下送上回式

圖4 對(duì)側(cè)下送上回式

表2 材料參數(shù)表

表3 模型的邊界條件類(lèi)型

1.2 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算方法

(1)空調(diào)房間的室內(nèi)流場(chǎng)是一個(gè)三維、非穩(wěn)態(tài)、不可壓的湍流流動(dòng)傳熱傳質(zhì)過(guò)程。對(duì)室內(nèi)空氣場(chǎng)建立標(biāo)準(zhǔn) k- ε 控制方程組［9－10］。

式中 ρ——空氣密度/m3·kg－1;

k——湍流動(dòng)能;

t——時(shí)間/s;

υ——空氣速度/m·s－1;

x——空間坐標(biāo)/m;

u——比內(nèi)能/J·kg－1·s－1;

σk——湍流動(dòng)能k對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù);

σε——耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù);

ε——耗散率;

μt——湍流粘性系數(shù)/kg·m－1·s－1;

p——壓強(qiáng)/Pa;

T——溫度/℃;

c1、c2——常數(shù);

cp——定壓比熱/J·℃－1;

λ——導(dǎo)熱系數(shù)/W·m－1·℃－1;

Gk——由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);

Gb——由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);

YM——可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn);

Sk、Se——源項(xiàng)。

各常系數(shù)采用 Launder推薦的數(shù)值［11］:cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3，c1=1.44，c2=1.92。

(2)為簡(jiǎn)化做以下假設(shè)［12］:①室內(nèi)氣體為連續(xù)性介質(zhì);②室內(nèi)流場(chǎng)為定常流;③氣體視為不可壓縮。

(3)網(wǎng)格劃分:采用六面體網(wǎng)格。對(duì)個(gè)別需要細(xì)劃網(wǎng)格的部位進(jìn)行自定義劃分網(wǎng)格。

(4)離散方法采用有限體積法［13］。

(5)收斂標(biāo)準(zhǔn)的確定:能量方程的殘差小于10－6，其余方程的殘差小于10－3［14］。

2 四種不同模型模擬結(jié)果的比較和分析

圖5 Z=－2.2剖面同側(cè)上送下回速度場(chǎng)示意圖

圖6 Z=－2.2剖面對(duì)側(cè)上送下回速度場(chǎng)示意圖

圖7 Z=－2.2剖面同側(cè)下送上回速度場(chǎng)示意圖

圖8 Z=－2.2剖面對(duì)側(cè)下送上回速度場(chǎng)示意圖

2.1 速度場(chǎng)分析

由圖5～8可以看出，采用同側(cè)上送下回方式時(shí)工作區(qū)風(fēng)速小且分布均勻，不會(huì)產(chǎn)生吹風(fēng)感，舒適性好;采用對(duì)側(cè)上送下回方式時(shí)工作區(qū)風(fēng)速較小，人體感到舒適，但房間氣流并沒(méi)有形成很大的渦流區(qū)，送風(fēng)與室內(nèi)空氣混合不充分;采用下送上回方式時(shí)送風(fēng)口附近風(fēng)速較大，工作人員腳下有吹風(fēng)感［15］。

2.2 溫度場(chǎng)分析

由圖9～12可以看出，采用同側(cè)上送下回方式時(shí)大部分工作區(qū)域的溫度在22～24℃之間且分布均勻，人體感覺(jué)舒適;采用對(duì)側(cè)上送下回方式時(shí)工作區(qū)溫度分布均勻但溫差較同側(cè)上送下回方式稍大一些;采用下送上回方式時(shí)，由于送風(fēng)為冷風(fēng)，故送風(fēng)口附近的工作區(qū)溫度低，腳底有吹冷風(fēng)的感覺(jué)。

圖9 Z=－2.2剖面同側(cè)上送下回溫度場(chǎng)示意圖

圖10 Z=－2.2剖面對(duì)側(cè)上送下回溫度場(chǎng)示意圖

圖11 Z=－2.2剖面同側(cè)下送上回溫度場(chǎng)示意圖

圖12 Z=－2.2剖面對(duì)側(cè)下送上回溫度場(chǎng)示意圖

2.3 平均空氣齡分析

圖13 Z=－2.2剖面同側(cè)上送下回平均空氣齡示意圖

圖14 Z=－2.2剖面對(duì)側(cè)上送下回平均空氣齡示意圖

圖15 Z=－2.2剖面同側(cè)下送上回平均空氣齡示意圖

圖16 Z=－2.2剖面對(duì)側(cè)下送上回平均空氣齡示意圖

空氣齡是評(píng)價(jià)空氣品質(zhì)的重要指標(biāo)，空氣齡越小，空氣品質(zhì)則越好。由圖13～16可以看出，采用上送下回方式時(shí)送風(fēng)氣流不直接進(jìn)入工作區(qū)，工作區(qū)空氣齡較大，室內(nèi)回旋氣流內(nèi)的污濁空氣較難快速排出，空氣品質(zhì)差;采用下送上回方式時(shí)，由于送入的新鮮空氣直接進(jìn)入工作區(qū)，而不需要先與房間內(nèi)的污染空氣混合，因此工作區(qū)的空氣齡較小，空氣最新鮮。

2.4 空氣粒子運(yùn)動(dòng)軌跡分析

由圖17～20可以看出，采用同側(cè)送回風(fēng)方式時(shí)可以形成一個(gè)大渦旋，空氣粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡較長(zhǎng)，新鮮空氣可以較好的充滿房間的每個(gè)角落，死角較少;采用對(duì)側(cè)送回風(fēng)方式時(shí)空氣粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)較短，新鮮空氣不能較好的充滿房間的每個(gè)角落，死角多。

圖17 同側(cè)上送下回空氣粒子運(yùn)動(dòng)軌跡三維示意圖

圖18 對(duì)側(cè)上送下回空氣粒子運(yùn)動(dòng)軌跡三維示意圖

圖19 同側(cè)下送上回空氣粒子運(yùn)動(dòng)軌跡三維示意圖

圖20 對(duì)側(cè)下送上回空氣粒子運(yùn)動(dòng)軌跡三維示意圖

2.5 PMV(人體舒適指標(biāo))和PPD(預(yù)期不滿意百分率)分析

由圖21～28可以看出，采用上送下回方式時(shí)大部分工作區(qū)PMV值在－0.5～+0.5范圍內(nèi)，PPD值在10%以內(nèi)，人體感覺(jué)舒適;采用下送上回方式時(shí)大部分工作區(qū)PMV值在－1～+1之間，PPD值在10%以內(nèi)，但由于下部送風(fēng)口處風(fēng)速較大，腳底會(huì)有吹冷風(fēng)的感覺(jué)(送風(fēng)口處PMV值在－2～－1之間，PPD值在37.5%左右)，人體感覺(jué)較涼。

圖21 Z=－2.2剖面同側(cè)上送下回PMV示意圖

圖22 Z=－2.2剖面對(duì)側(cè)上送下回PMV示意圖

圖23 Z=－2.2剖面同側(cè)下送上回PMV示意圖

圖24 Z=－2.2剖面對(duì)側(cè)下送上回PMV示意圖

圖25 Z=－2.2剖面同側(cè)上送下回PPD示意圖

圖26 Z=－2.2剖面對(duì)側(cè)上送下回PPD示意圖

3 總結(jié)

(1)從以上的模擬結(jié)果和分析可知:采用相同的送風(fēng)參數(shù)，不同的氣流組織，室內(nèi)的溫度場(chǎng)分布，速度場(chǎng)分布，人體舒適感和空氣品質(zhì)等都有很大差異;

圖27 Z=－2.2剖面同側(cè)下送上回PPD示意圖

圖28 Z=－2.2剖面對(duì)側(cè)下送上回PPD示意圖

(2)對(duì)于溫度場(chǎng)分布、速度場(chǎng)分布:同側(cè)上送下回的送風(fēng)方式可以獲得較理想的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)，下送上回的送風(fēng)方式溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布較差;

(3)對(duì)于人體熱舒適感(PMV、PPD):上送下回的送風(fēng)方式人體感覺(jué)較舒適;

(4)對(duì)于空氣品質(zhì):下送上回的送風(fēng)方式空氣最新鮮，空氣品質(zhì)最好，上送下回的送風(fēng)方式使污濁空氣較難快速排出，空氣品質(zhì)差;

(5)空氣運(yùn)動(dòng)軌跡:同側(cè)送回風(fēng)時(shí)可以形成較大的渦旋，空氣運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)，新空氣可較好的充滿房間的每個(gè)角落，死角少。

綜上所述，同側(cè)送回風(fēng)方式優(yōu)于對(duì)側(cè)送回風(fēng)方式，而在同側(cè)送回風(fēng)方式中，同側(cè)上送下回式以其工作區(qū)速度、溫度分布均勻，人體舒適感好，房間新空氣充足、死角少等諸多優(yōu)點(diǎn)而略優(yōu)于同側(cè)下送上回送風(fēng)方式。所以，經(jīng)綜合分析，同側(cè)上送下回方式的空調(diào)房間的空氣環(huán)境最好，人體感覺(jué)最為舒適。

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